首次实现真空涨落对超导的增强效应

量子力学告诉我们，看似 " 空无一物 " 的真空其实并不安静。即使没有真实光子存在，空间中仍持续存在电磁场的量子涨落，也就是所谓的 " 真空涨落 "。它不仅与 Lamb 位移、Casimir 效应和自发辐射等经典量子现象密切相关，还可以被微纳光学结构重新塑造。近年来，一个越来越大胆的问题被提出：能否不向材料输入真实光子，仅仅通过改变其周围的量子真空，就调控材料本身的性质？ 化学反应、拓扑态和电输运领域已经出现了一些令人振奋的结果，但对于超导而言，尽管理论研究早已预测腔体真空场可能改变电子配对甚至增强超导，真正能够在体输运中清晰看到 " 真空增强超导 " 的实验结果，一直是一个重要挑战。

近日，中国科学技术大学曾长淦教授、程广珲教授联合麻省理工学院 Frank Wilczek 教授（2004 年诺贝尔物理学奖得主）和上海交通大学蒋庆东教授以层状超导材料 NbSe ₂为研究对象，将其部分嵌入太赫兹分裂环暗腔中，在完全没有外部光照的条件下观察到了超导性能的明显增强。进入腔体后，NbSe ₂的超导临界温度由 6.38 K 提高至 6.53 K；更引人关注的是，在接近超导相变温度时，其临界电流最高提高约 30%，临界磁场增强超过 60%。进一步改变腔体频率发现，这种增强具有明显的共振选择性。理论计算表明，腔体真空模式与超导涨落之间的耦合能够重新调节超导态自由能，使超导状态更加稳定。这项工作提供了利用量子真空非侵入式调控超导的实验依据，也为未来 " 量子真空工程 " 调控量子材料打开了新的方向。相关成果以 "Evidence for vacuum-enhanced superconductivity in NbSe2" 为题发表在《Nature》上，王哲研为第一作者。

研究团队首先设计了一种非常巧妙的 " 同片对照 " 器件。如（图 1a）所示，器件由 SiO ₂ /Si 衬底、金属分裂环腔、Al ₂ O ₃绝缘层以及 hBN/NbSe ₂结构组成，其中 NbSe ₂只有一部分位于腔体内部，另一部分则处于腔体之外。这样一来，同一块 NbSe ₂材料就可以同时提供 " 有腔 " 和 " 无腔 " 两个测量区域，大幅降低样品差异对实验结果的影响。（图 1b）中的光学显微图进一步展示了这一结构，研究人员分别通过 R ₁和 R ₂通道读取腔外和腔内区域的输运信号。

这个暗腔并不是简单在 NbSe ₂旁边放了一圈金属，而是一个工作频率约为 0.92 THz 的 LC 谐振器。理论估算显示，腔内真空电场强度可达到约 260 V/m，而相同频率自由空间中的真空场仅约 0.43 V/m，腔隙附近局域场增强甚至可以达到约 100 倍。正是在这样的真空电磁环境中，实验看到了显著变化：（图 1c）显示，腔外 NbSe ₂的临界温度约为 6.38 K，而腔内区域提高到 6.53 K，增加了 0.15 K。为了排除不同区域本身存在差异的可能，研究人员又对同一个 NbSe ₂通道在沉积腔体前后进行测试，（图 1d、e）显示其临界温度同样从 6.41 K 升至 6.51 K。更关键的是，当研究人员只在 NbSe ₂旁边制作普通金属条、却不形成谐振腔时，（图 1f）几乎看不到超导变化。这意味着简单的金属静电屏蔽或制备过程并不足以解释这一现象，真正关键的因素更可能来自腔体特有的电磁真空模式。

图 1：暗腔增强 NbSe ₂超导性的直接证据。

如果说临界温度提高 0.1 K 左右还不够 " 震撼 "，那么接下来临界电流和临界磁场的变化就更加直观。研究人员在 5.4、5.7 和 5.9 K 下分别测量 NbSe ₂的电压—电流曲线。（图 2a-c）可以看到，在 5.4 K 时，有腔和无腔的差异并不明显；但随着温度升高、越来越接近超导转变区，两条曲线开始明显分开。也就是说，真空腔对超导的影响并不是在所有温度下都一样，而是在超导即将 " 失稳 " 时最为强烈。这一趋势在统计结果中更加清晰。（图 2d、e）显示，临界电流增强大约从 5.7 K 开始迅速出现，到约 6 K 附近最高可达到 30% 左右。临界磁场的变化更加明显：（图 2f、g）中同样可以看到约 5.7 K 附近的增强起点，而在约 6.2 K 时，临界磁场增强幅度已经超过 60%。原因在于低温下大量电子已经形成稳定的超导凝聚体，凝聚密度接近饱和，额外的真空场扰动很难产生明显影响；而接近临界温度时，超导凝聚密度快速下降，系统对外界微小扰动异常敏感，此时即使腔体只轻微改变超导自由能，也可能明显改变超导刚度，最终同时表现为临界温度、临界电流和临界磁场的提升。

图 2：腔体在接近相变温度时显著提高临界电流和临界磁场。

那么，这种增强究竟是不是某种偶然的器件效应？研究团队随后做了一个非常关键的实验：直接调节腔体频率。 （图 3a-c）分别给出了 0.78、0.92 和 1.24 THz 三种腔体。结果发现，0.78 THz 时几乎没有增强，甚至出现轻微抑制；0.92 THz 时增强最明显；到了 1.24 THz，效果又明显减弱。把更多器件的数据汇总到一起后，（图 3d）出现了非常醒目的 " 峰形 " 频率依赖关系，超导增强在大约 0.95 THz 附近达到最高，临界温度相对提高约 2.5%。如果只是普通静电屏蔽或金属邻近效应，很难产生如此明确的频率选择性，而这种 " 挑频率 " 的行为恰恰体现出了腔体模式与超导电子之间的共振耦合。为了理解其中的物理机制，作者进一步建立了超导体—腔体耦合的 Ginzburg-Landau 理论模型。（图 3e、f）给出了两类重要的量子修正过程。其中一类可以理解为虚光子的产生和吸收，它倾向于提高超导态的能量代价，从而降低临界温度；另一类则涉及虚光子在与超导凝聚体交换动量后的再吸收，这一过程在合适条件下能够降低超导态的自由能，从而提高 Tc。也就是说，腔体真空并不是简单 " 一定促进 " 超导，而是不同量子过程彼此竞争，最终结果取决于腔体频率、空间模式以及超导材料本身的响应。作者同时指出，在最简单的被动腔理论中，增强过程受到一定约束，因此完整的微观机制仍需要进一步考虑材料集体模式和反馈效应。

图 3：超导增强具有明显的腔体频率共振特征。

小结

长期以来，提高超导性能往往依赖压力、化学掺杂、界面工程或强光驱动等手段，其中利用真实光子增强超导尤其容易受到加热影响，很多效应只能维持在极短的非平衡时间尺度。而此次研究展示的是另一条完全不同的路线：利用暗腔中的真空涨落，也就是与虚光子相关的量子电磁环境，在接近平衡状态下改变超导自由能，并获得可直接测量的输运增强。虽然目前 NbSe ₂的临界温度提升仍然有限，但临界电流和临界场的大幅变化已经说明，这种作用绝非可以忽略的小修正。未来通过进一步优化腔体模式体积、共振频率、空间场分布以及超导材料自身的维度和集体激发，有望继续放大这一效应。更重要的是，这项工作提出了一种新的材料调控思路：不必直接 " 碰 " 材料，也可以通过重新设计它周围的量子真空来改变材料本身。 从超导到更广泛的量子物态，" 量子真空工程 " 或许正在成为一种值得关注的新型调控工具。